한국과학기술원(KAIST)은 화학과 윤동기·변혜령 교수 연구팀이 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온 이동 경로를 정밀하게 조절하는 차세대 배터리 분리막 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

리튬 금속 배터리는 리튬 금속을 음극으로 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 더 많은 에너지를 담을 수 있는 차세대 배터리다.

그러나 충전 과정에서 리튬이 한곳에 몰려 뾰족한 나뭇가지 모양으로 쌓이는 '덴드라이트'(Dendrite)가 발생하기 쉽다. 이렇게 자란 리튬은 배터리 수명을 줄이고, 양극과 음극의 직접 접촉을 막는 분리막을 훼손해 내부 합선과 화재를 일으킬 수 있다.

연구팀은 리튬이온이 이동하는 길을 정돈하는 데 주목했다. 이동 경로가 구불구불하면 이온이 돌아가야 하고, 특정 부위로 몰릴 수 있기 때문이다.

이온이 전극을 향해 곧고 고르게 이동하도록 길을 설계하면 빠르게 충전하면서도 리튬이 불균일하게 쌓이는 현상을 줄일 수 있다.

연구팀은 이를 위해 분자들이 일정한 방향으로 배열되는 액정(Liquid Crystal) 소재를 활용했다. 액정은 고체처럼 규칙적인 분자 배열과 액체처럼 흐르는 성질을 함께 지니며, 표면 처리 등에 따라 분자 배열 방향을 바꿀 수 있다.

연구팀은 개발한 분리막을 리튬 금속 배터리에 적용해 급속 충전 성능을 확인한 결과, 이론상 약 15분 만에 충전할 수 있는 빠른 충전 조건에서 충전과 방전을 100회 반복한 뒤에도 초기 용량의 94%를 유지했다고 설명했다.

윤동기 교수는 "이번 연구는 액정 고분자의 분자 배열을 제어해 리튬이온의 이동 경로를 효율적으로 설계하고, 이를 통해 배터리의 성능과 안정성을 향상할 수 있음을 보여준 사례"라며 "향후 긴 주행거리와 빠른 급속 충전이 필수적인 고에너지 밀도 차세대 배터리 기술 개발에 기여할 것"이라고 말했다.